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变频电机绝缘的损坏机理

时间:2018/3/8 点击数:2622

在交流变频电动机的推广应用过程中 ,曾出现大批交流变频调速电动机绝缘早期损坏的情况。许多交流变频电机运行的寿命只有 1~ 2年 ,有的只有几个星期 ,甚至在试运行中电机绝缘就出现损坏 ,而且通常发生在匝间绝缘 ,这给电机绝缘技术提出了新的课题。 实践证明 ,过去几十年研究发展起来的工频正弦波电压下的电机绝缘设计理论不能适用于交流变频调速电机。 需要研究变频电机绝缘的损坏机理 ,建立交流变频电机绝缘设计的基本理论 ,制定交流变频电机的工业标准。
1电磁线的损坏
局部放电和空间电荷
目前 ,变频调速交流电机均采用 IGB T( 绝缘栅二极管 )技术PWM ( Pulse width m odulatio n- 脉宽调制 )变频器控制。其功率范围约是 0. 75~ 500kW。 IGBT技术可以提供上升时间极短的电流 ,其上升时间在 20~100μs,所产生的电脉冲有极高的开关频率 ,达到20kHz。 当一个快速上升沿电压从变频器到电机端时 ,由于电机和电缆的阻抗不匹配 ,产生一个反射电压波。 这个反射波返回变频器 ,并再感应出另一个由于电缆和变频器阻抗不匹配而产生的反射波加在原始电压波上 ,从而在电压波前沿产生一个尖峰电压。尖峰电压的大小取决于脉冲电压的上升时间和电缆的长度[1]  。
通常电线长度增加时 ,电线二端都产生过电压 ,电机端的过电压幅值随电缆长度增加而增加 ,并趋于饱和 ,而电源端的过电压比电机端的过电压小 ,并且几乎与电缆长度无关。 试验表明 ,过电压产生于电压上升沿和下降沿处 ,并发生衰减振荡 ,其衰减服从指数规律 ,振荡周期随电缆长度而增加。对 PWM 驱动脉冲波形有二种频率 ,其一是开关频率。尖峰电压的重复频率与开关频率成正比。另一是基本频率 ,直接控制电机的转速。 在每一个基本频率开始时 ,脉冲极性从正到负或从负到正 ,在这一时刻 ,电机绝缘承受着一个二倍于尖峰电压值的全幅电压。另外 ,在一个散嵌绕组的三相电机中 ,不同相的相邻二匝之间的电压极性可能会不同 ,全幅电压的跃变也有可能达到二倍于一个尖峰电压值。 据测试 ,PWM 变频器输出的电压波形 ,在 380 /480V 交流系统中 ,在电机端测得的尖峰电压值为 1. 2~ 1. 5kV,而在 576 /600V的交流系统中 ,测得的尖峰电压值达到 1. 6~ 1. 8kV。 非常明显 ,在此全幅电压作用下 ,绕组匝间产生表面局部放电。 由于电离作用 ,在气隙中又会产生空间电荷 ,从而形成一个与外加电场反向的感应电场。 当电压极性改变时 ,这个反向电场与外加电场方向一致。这样 ,一个更高的电场产生 ,它会导致局部放电的数量增加 ,最终引起击穿。测试表明 ,作用于这些匝间绝缘的电冲击大小取决于导线特定的性能和 PWM 驱动电流的上升时间。 若上升时间小于0.1μs,则将有 80% 的电势加在绕组的前二匝上 ,即上升时间越短 ,电冲击就越大 ,匝间绝缘的寿命就越短  。
介质损耗发热
当 E超过绝缘体临界值时 ,其介质损耗迅速增加。当频率增加时 ,局部放电随之增加 ,结果产生热量 ,这些热量则引起更大的漏电流 ,从而使 Ni上升更快 ,即电机温升上升 ,绝缘加速老化。总之 ,在变频电机中正是由于上述局部放电、电介质加热、空间电荷感应等因素的共同作用引起电磁线的过早损坏 。
 主绝缘、相绝缘和绝缘漆的损坏
如前所述 ,采用 PWM 变频电源 ,使变频电机的端子处出现振荡电压幅值增加。因而 ,电机的主绝缘、相绝缘和绝缘漆承受更高的电场强度。据测试 ,由于变频器输出端电压上升时间、电缆长度和开关频率等因素的综合影响 ,上述端电压峰值可超过 3kV。 另外 ,当电机绕组匝间发生局部放电时 ,会使绝缘中分布电容所储存的电能变为热、幅射、机械和化学能 ,从而使整个绝缘系统劣化 ,绝缘的击穿电压降低 ,最终导致绝缘系统被击穿 。
循环交变应力造成的绝缘加速老化
采用 PWM 变频电源供电 ,使变频电机可以在很低的频率、较低的电压下以及无冲击电流情况下起动 ,并可以利用变频器所提供的各种方式进行快速制动。 由于变频电机可实现频繁的起动制动 ,使电机绝缘频繁地处于循环交变应力作用下 ,使电机绝缘加速老化  。
普通异步电机中存在的由于电磁激振力、机械传动等引起的振动等问题在变频电机中变得更为复杂。变频电源中含有的各种时间谐波与电磁部分固有的空间谐波相互干涉 ,形成各种电磁激振力。同时 ,由于电机工作频率范围宽 ,转速变化大 ,当其与机械部分的固有频率相一致时 ,出现共振。 在电磁激振力和机械振动影响下 ,电机绝缘受到更加频繁的循环交变应力作用 ,加速了电机绝缘的老化.

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